Los biorreactores son los vehículos contenedores de cualquier proceso de producción basado en la biotecnología, ya sea para la fabricación de cerveza, compuestos orgánicos o aminoácidos, antibióticos, enzimas o vacunas o para procesos de biorremediación. Para todo proceso de biotecnología se debe diseñar el sistema contenedor más apropiado para crear el entorno adecuado para optimizar el crecimiento y la actividad metabólica del biocatalizador. Los biorreactores oscilan desde simples recipientes abiertos con o sin agitación a sistemas integrados asépticos complejos que implican niveles variables de control avanzado por computadora.
Los biorreactores pueden ser de dos tipos distintos. Dentro del primer grupo se encuentran principalmente sistemas no asépticos donde no es imprescindible trabajar con cultivos completamente puros, por ejemplo los procesos de fabricación de cerveza, o sistemas de eliminación de efluentes, mientras que en el segundo tipo las condiciones asépticas son un prerrequisito para una formación de productos exitosa, como es el caso de los antibióticos, vitaminas y polisacáridos. Este tipo de proceso implica un reto considerable en lo que respecta a la ingeniería de construcción y manipulación.
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| Distintos tipos de biorreactores: (a) Biorreactor de tanque mezclado; (b) reactor de torre; (c) biorreactor de bucle (reciclo); (d) biorreactor o digestor anaeróbico; (e) biorreactor de lodo activado |
La forma física de muchos de los biorreactores más ampliamente utilizados no ha cambiado mucho durante los últimos 40 años; sin embargo, recientemente, se han desarrollado nuevas formas de biorreactores con el fin de cubrir las necesidades de ciertos bioprocesos específicos. Estas innovaciones están encontrando papeles cada vez más especializados en la tecnología del bioproceso.
En todas las formas de fermentación el objetivo en último término es asegurar que todas las partes del sistema se someten a las mismas condiciones. Dentro del biorreactor los microorganismos se encuentran suspendidos en un medio nutritivo acuoso que contiene los sustratos necesarios para el crecimiento del organismo y la formación del producto requerido. Todos los nutrientes, incluyendo el oxigeno, deben ser proporcionados para que se difundan dentro de cada célula y los productos de desecho tales como el calor, CO2 y metabolitos de desecho deben ser eliminados.
La concentración de nutrientes en los alrededores del organismo debe mantenerse dentro de un rango preciso ya que los valores bajos limitarán la velocidad del metabolismo del organismo mientras que concentraciones excesivas pueden resultar tóxicas. Las reacciones biológicas más eficientes son aquellas que se desarrollan dentro de rangos óptimos de parámetros ambientales, y en los procesos biotecnológicos estas condiciones deben proporcionarse dentro de una microescala de tal forma que cada célula recibe las mismas. Si se considera la gran escala de muchos sistemas biorreactores, se percibe lo difícil que resulta alcanzar estas condiciones en toda una población. Es aquí donde debe combinarse las capacidades del ingeniero bioquímico y el microbiólogo.
Las reacciones de fermentación son multifásicas e implican una fase gaseosa (que contiene N2, O2 y CO2), una o más fases líquidas (medio acuoso y sustrato líquido) y una microfase sólida (el microorganismo y, posiblemente, sustratos sólidos). Todas las fases deben mantenerse en estrecho contacto para alcanzar una transferencia de calor y masa rápida. En un biorreactor perfectamente mezclado, todos los reactivos que entran en el sistema deben mezclarse inmediatamente y se distribuidos uniformemente para asegurar la homogeneidad dentro del reactor.
Para alcanzar la optimización del sistema biorreactor, deben seguirse a rajatabla las siguientes normas operativas:
1. El biorreactor debe diseñarse para evitar la entrada de organismos contaminantes y para contener los organismos deseados.
2. El volumen de cultivo debe permanecer constante, es decir que no haya escapes ni evaporación.
3. El nivel de oxigeno disuelto debe mantenerse por encima de los niveles críticos de aireación y agitación del cultivo para organismos aerobios.
4. Los parámetros ambientales tales como la temperatura, pH, etc., deben controlarse, y el volumen del cultivo debe estar bien mezclado.
Los estándares de los materiales usados en la construcción de fermentadores sofisticados son importantes.
Los tecnólogos de la fermentación buscan alcanzar la optimización del potencial del cultivo mediante un control preciso del ambiente del biorreactor. No obstante, hay aún una gran laguna en lo referente al entendimiento de las condiciones ambientales que producirán un rendimiento óptimo de organismo o producto.
Un bioprocesamiento exitoso sólo tendrá lugar cuando se reúnan todos los parámetros relacionados con el crecimiento específico y la información sea usada para mejorar y optimizar el proceso. La descripción cuantitativa de los procesos celulares es un prerrequisito esencial para una exitosa operación comercial de estos bioprocesos. Los dos aspectos más relevantes, rendimiento y productividad son medidas cuantitativas que indicarán de qué manera las células convierten el sustrato en producto. El rendimiento representa la cantidad de producto obtenido a partir del sustrato mientras que la productividad determina la velocidad de formación de producto.
Para entender y controlar un proceso de fermentación es necesario conocer el estado del proceso en un incremento de tiempo pequeño y, además, saber de qué forma responde el organismo a un conjunto de condiciones ambientales medibles. La optimización del proceso requiere un control de realimentación agudo y rápido. En el futuro, la computadora será una parte integral de la mayoría de los sistemas biorreactores. Sin embargo, se carece de unas buenas sondas sensoras que permitirán que se haga un análisis en línea de los componentes químicos del proceso de fermentación.
Existe un gran mercado mundial para el desarrollo de nuevos métodos rápidos para la monitorización de muchas reacciones dentro de un biorreactor. En particular, la mayor necesidad recae en los diseños micro-electrónicos innovadores.
Cuando se intenta mejorar el funcionamiento de los procesos o diseños existentes es aconsejable establecer modelos matemáticos del sistema global. Un modelo es un conjunto de relaciones entre las variables del sistema que está siendo estudiado. Tales relaciones se suelen expresar en forma de ecuaciones matemáticas, pero pueden ser también específicas como relaciones causa/efecto que pueden ser usadas en el manejo de los procesos específicos. Las variables reales implicadas pueden ser muy numerosas e incluirán cualquier parámetro que sea de importancia para el proceso, pudiendo incluir pH, temperatura, concentración de sustrato, agitación, velocidad de alimentación, etc.
Las concentraciones de los biorreactores han cambiado considerablemente durante las últimas décadas. El sistema de fermentación original era un tanque de poca profundidad que se agitaba por mano de obra. A partir de éste, se ha desarrollado el sistema básico de torre de aireación que domina actualmente el uso industrial. A medida que los sistemas de fermentación se han ido desarrollando, se han implantado dos soluciones de diseño para los problemas de aireación y agitación. El primer tipo usa aireación mecánica y dispositivos de agitación, con requerimientos de energía relativamente altos; el ejemplo típico lo constituye el biorreactor de tanque agitado, que se usa mucho tanto en laboratorios convencionales como en fermentaciones industriales. Tales biorreactores aseguran una buena transferencia de masa gas/líquido, presentan una transferencia de calor razonable y aseguran una buena mezcla de los contenidos del biorreactor.
El segundo tipo para el diseño de un biorreactor aeróbico usa distribución de aire (con bajo consumo energético) para crear un flujo líquido forzado y controlado en un biorreactor con reciclo. De esta forma los contenidos se someten a un flujo de reciclo controlado, bien dentro del biorreactor o por un bucle de reciclo externo. Así, la agitación se ha reemplazado por el bombeo, que puede ser mecánico o neumático, como en el caso del biorreactor de tipo airlift.
El CSTR consiste en un envase cilíndrico con un eje central dirigido por motor que da apoyo a uno o varios agitadores, con el eje entrando o bien por arriba o por el fondo de los envases. La proporción de las dimensiones del envase (relación altura-diámetro) es 3:5 para sistemas microbianos, mientras que para cultivos de células de mamífero esta proporción no pasa normalmente de 2. Se rocía aire esteril líquido dentro del biorreactor por debajo del impulsor del fondo por medio de un rociador de anillo perforado. La velocidad de los impulsores estará relacionada con el grado de fragilidad de las células. Las células de mamíferos son extremadamente frágiles cuando se comparan con la mayoría de los microorganismos. En una gran mayoría de los procesos de alto valor, los biorreactores operarán en forma de batch bajo condiciones de monocultivo aséptico. Los biorreactores pueden oscilar desde unos 20 litros hasta un exceso de 250 m3 para determinados procesos. La expansión inicial del cultivo de microorganismos comenzará en el biorreactor más pequeño, y cuando el crecimiento está optimizado, será entonces transferido a un biorreactor mayor, y así sucesivamente, hasta el biorreactor final. A lo largo de tales operaciones es imperativo mantener las condiciones asépticas para asegurar el éxito del proceso. Los biorreactores son generalmente esterilizados previamente a la inoculación y la contaminación se produce durante el cultivo esto conducirá invariablemente a un fallo en el proceso, ya que, más a menudo, el contaminante puede crecer más rápidamente que el monocultivo participante.
Grandes cantidades de aguas de desecho orgánico procedentes de fuentes domesticas e industriales son tratadas de forma rutinaria en sistemas aeróbicos y anaeróbicos. Los procesos de lodo activado son muy usados para el tratamiento oxidativo de aguas residuales y otros desechos líquidos. Tales procesos usan sistemas biorreactores batch o continuamente agitados para incrementar la inducción de aire y así optimizar la ruptura oxidativa del material orgánico. Estos biorreactores son grandes y, para funcionamiento óptimo, constarán de varias o muchas unidades de agitación para facilitar el mezclado y la captación de oxigeno. Se usan extensivamente en la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales.
Los biorreactores o digestores anaeróbicos se han usado durante mucho tiempo para tratar material residual. En ausencia de oxigeno libre, ciertos consorcios microbianos son capaces de convertir el material orgánico biodegradable en metano, dióxido de carbono y nueva biomasa microbiana. La mayoría de los digestores anaeróbicos comunes funcionan de forma continua o semicontinua.
Un ejemplo destacado de generación de metano es el programa de biogás tipo chino, donde millones de biorreactores anaeróbicos de tamaño familiar están operando. Tales biorreactores se usan en el tratamiento de estiércol, excremento humano, etc., produciendo biogás para la cocina, el encendido y la sanitización del desecho, que se convierte a su vez en un excelente fertilizante.
En casi todos los procesos de fermentación que se desarrollan en un biorreactor se necesita generalmente medir parámetros ambientales y relacionados con el crecimiento, grabarlos y usar luego la información para mejorar y optimizar el proceso. Las medidas de control del biorreactor se hacen o bien en línea o fuera de línea. Con una medida en línea, el sensor se coloca directamente dentro de la corriente del proceso, mientras que para la medida fuera de línea se toma de forma aséptica una muestra durante el proceso y se analiza. El procesamiento de un biorreactor está todavía muy limitado por el escaso número de instrumentos fiables capaces de medir en línea variables importantes tales como el ADN, ARN, enzimas y biomasa. El análisis fuera de línea es aún esencial para estos componentes, y dado que los resultados de estos análisis no están generalmente disponibles hasta varias horas después del muestreo, no pueden usarse con fines de control inmediato. Sin embargo, la medida en línea está disponible para análisis de temperatura, pH, oxigeno en solución y CO2.
El descubrimiento continuado de nuevos productos tales como las drogas terapéuticas a partir de microorganismos y células de mamífero seguirá dependiendo del desarrollo de sistemas de cultivo exploratorios innovadores que impulsen la biosíntesis de componentes nuevos. Están disponibles nuevos sistemas en miniatura de incubación controlados por computadora con unidades de análisis automatizado en forma de unidades sencillas que pueden desarrollar cientos de experimentos simultáneamente, produciendo así un gran número de datos en un tiempo corto y facilitando las condiciones de fermentación óptimas para la formación de producto.
Un abordaje nuevo y bastante novedoso que usa la biología combinacional genera nuevos productos a partir de microorganismos diseñados por ingeniería genética. Los fragmentos de ADN o genes derivados de microorganismos inusuales que no son fácilmente cultivables (microorganismos recalcitrantes) pueden ser transferidos a otros microorganismos sustitutos que sí lo son, y la mezcla y apareamiento resultante de genes que codifican la maquinaria biosintética ofrece actualmente la oportunidad de descubrir moléculas nuevas o modificadas o drogas. Esto podría ser de gran importancia en el descubrimiento de antibióticos.
Mientras la mayoría de los componentes biotecnológicos de alto valor tales como antibióticos y proteínas terapéuticas se producen en monocultivos bajo estrictas condiciones de asépsia, hay ahora nuevas vías de investigación explorando la formación de producto a partir de sistemas de cultivo mixto. Tales sistemas pueden producir patrones distintos de metabolitos, o verdaderamente, metabolitos novedosos como resultado de las interacciones que pueden producirse entre los microorganismos en competición. Debido a su complejidad, estos procesos de mezcla de organismos han sido ignorados por la comunidad científica. El monocultivo bajo condiciones asépticas es totalmente antinatural y raramente ocurre en la naturaleza. La norma es que los microorganismos coexistan en el ambiente y compitan y respondan a la disponibilidad de sustrato y a las condiciones ambientales prevalecientes.
Aumento de escala
La mayoría de los procesos biotecnológicos habrán sido identificados a escala de laboratorio y el éxito comercial dependerá en último término de la capacidad para aumentar la escala del proceso primero desde el laboratorio hasta una planta piloto y después a una escala comercial completa. El logro del éxito en un proceso de aumento de escala debe ajustarse a una serie de restricciones físicas y económicas. La identificación de algunos de los parámetros de control puede hacerse generalmente con biorreactores de escala de laboratorio (5-10 litros) y luego llevarse al nivel de escala de planta piloto. Una planta piloto es, en realidad, un laboratorio a gran escala que se ha diseñado para dar flexibilidad al acomodo y adaptación de equipamientos para el funcionamiento del proceso. Los biorreactores de plantas piloto oscilan desde un volumen total de 100 a 10000 litros y los más grandes pueden, ocasionalmente, ser usados como unidades de producción. Los biorreactores industriales a escala completa pueden oscilar en volumen desde 20000 a 400000 litros. La gestión del proceso de aumentar la escala requiere una alta inversión de capital en el mezclado y aireación, en la monitorización y los sistemas de control, y en el mantenimiento riguroso de la esterilidad.
Diseño de medios para procesos de fermentación
El agua es el centro de todos los procesos biotecnológicos y en la mayoría de los casos será el componente dominante de los medios en los que los microorganismos van a crecer. Una vez que los procesos de fermentación líquida han alcanzado niveles de producción óptima, la retirada del agua es un factor principal en el coste de la recuperación de bioproducto y el procesamiento posterior. La calidad del agua es muy relevante, ya que afecta al crecimiento microbiano y la producción de bioproductos específicos. En el pasado, los centros tradicionales de fabricación de cerveza se establecían en localidades donde el agua, de gran calidad, era proporcionada por fuentes naturales, evitándose así tener que recurrir a un extenso pretratamiento.
En la producción de los medios generalmente hay control de calidad de los materiales en crudo. Es cada vez más reconocido que, respecto al volumen, el agua es uno de los materiales en crudo más importantes en muchos procesos biotecnológicos y que su suplemento y uso debe ser monitorizado y controlado cuidadosamente.
Los requerimientos nutricionales básicos de los microorganismos son el aporte de energía o carbono, una fuente de nitrógeno disponible, elementos inorgánicos y, para algunos tipos celulares, factores de crecimiento específicos. En la mayoría de los procesos biotecnológicos las fuentes de carbono y nitrógeno proceden muy a menudo de mezclas relativamente complejas de productos naturales baratos o subproductos.
La disponibilidad y el tipo de nutriente pueden ejercer un fuerte control fisiológico sobre los reactores de fermentación y la formación de producto. El estimulo aportado por el material en crudo a un proceso de fermentación va a depender en gran medida del costo del material en un momento dado, ya que los precios de mercado de los artículos cambian con la estación y otras variables.
Las prácticas de esterilización para los medios biotecnológicos deben lograr la eliminación al máximo de los microorganismos contaminantes con daños mínimos de temperatura a los componentes del medio. Principalmente, la esterilización en batch en el biorreactor es todavía el método más ampliamente usado, aunque los métodos continuos están ganando aceptabilidad.
La preparación de los medios puede parecer una parte del proceso global relativamente sin importancia pero es de hecho la piedra angular de todo el funcionamiento. Un diseño malo de medio conducirá a una baja eficiencia de crecimiento y a una concomitante escasa formación de producto.
Fermentación en sustrato sólido
Hay muchos procesos biotecnológicos que implican el crecimiento de microorganismos en sustratos sólidos en ausencia total o casi total de agua libre. Los sustratos sólidos más usados son los granos de cereales, semillas de legumbre, fibra de trigo, materiales leñosos tales como la paja, aserrín o virutas de madera, y un amplio rango de materiales vegetales y animales. La mayoría de estos componentes son moléculas invariablemente poliméricas –insolubles o de muy baja solubilidad en agua- pero que en su mayoría son baratos y de fácil obtención y representan una fuente de concentrada de nutrientes para el crecimiento microbiano.
Muchas de estas fermentaciones tienen una gran antigüedad y, en muchos casos, hay registros que datan de cientos de años atrás. En el Este hay un amplio espectro de fermentaciones de alimentos, incluyendo salsa de soya y tempeh, así como muchos procesos enzimáticos industriales grandes. En el Oeste, los procesos de fermentación se han centrado en la producción de ensilaje, el cultivo de champiñón, producción de queso y choucroute, y el compostaje de desechos vegetales y animales. Las fermentaciones en sustrato sólido que usan materiales crudos reciclables tales como la paja, madera y otros materiales de desecho podrían perfectamente ser industrias del futuro para la producción de etanol, metano y biomasa comestible.
Los componentes microbiológicos de las fermentaciones en sustrato sólido pueden ser cultivos sencillos puros, cultivos mixtos identificables o microorganismos autóctonos totalmente mezclados.
En muchas fermentaciones se sustrato sólido se necesitan pretratar los materiales sustrato en crudo para aumentar la disponibilidad de los nutrientes ligados y también para reducir el tamaño de los componentes, por ejemplo pulverizando paja y haciendo trizas materiales vegetales con el fin de optimizar los aspectos físicos del proceso. Sin embargo, los aspectos de costo del pretratamiento deben equilibrarse con el valor eventual del producto. Los diseños de biorreactores para fermentaciones de sustrato sólido son inherentemente más simples que los de cultivos líquidos. Se clasifican en fermentaciones (a) sin agitación ocasional, (b) con agitación ocasional, y (c) con agitación continua. Las ventajas y desventajas relativas de las fermentaciones de sustrato sólido en comparación con las fermentaciones líquidas quedan representadas en el siguiente cuadro.
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| Ventajas y desventajas de las fermentaciones de sustrato sólido (comparadas con las fermentaciones líquidas) |
Fuente: Biotecnología. 2004. John E. Smith. Editorial Acribia.
